電力高壓試驗中串聯諧振裝置的應用分析

國網蕪湖供電公司 舒日高 陸宇豪 張昌麗 劉虎城

1 引言

為了確保發電公司日常使用的電氣絕緣設備本身的安全性有必要對電氣設備進行定期檢測，其中高壓試驗是電力系統常見的檢測形式。利用交流耐壓方法是當前我國常見的高壓試驗中的主要方式方法，在交流耐壓試驗中對電源和用電設備的要求較高，因此為了提升試驗的準確性，提高試驗效率且同時降低試驗檢測難度串聯諧振試驗法應運而生。串聯諧振試驗裝置具有增大電壓和電流的功效，主要利用的是諧振電抗器和待測品電容，產生諧振，在整個系統中，電源只需要提供系統中有功消耗的部分。基于各類優勢，認為有必要對高壓電氣試驗中利用串聯諧振裝置進行更深層次的研究與論述。

2 初步分析

2.1 串聯諧振原理

現階段我國高壓電氣試驗中普遍運用到串聯諧振裝置完成，其主要利用簡單的“R（電阻）-L（電感）-C（電容）”串聯電路制造的諧振形式完成試驗分析，在如下圖1的電路中電源電壓和電流存在相位相同，與此同時也能使無功電壓和相位相反其所產生的效果相同，此時完整電路表現為阻性特征[1]。電阻R（電阻）大小值決定諧振電力值高低，電路中L（電感）和C（電容）可以幫忙調整諧振頻率，在試驗中呈現串聯諧振的效果，主要運用的數學模型為：

圖1 R-L-C 串聯電路

R-L-C 串聯電路如圖1所示。

在完整的高壓電路試驗中想要實現串聯諧振效應首先要協調好電容器和電抗器之間的關系，電路中電容器產生C（電容），電抗器產生L（電感），技術員通過對電容器和電抗器的有效調節得到和電路中固定頻率一致的外來電源信號頻率并維持不變，這時通路中就會產生諧振現象。

諧振現象持續過程中C（電容）和L（電感）兩段的電壓可以達到高壓的最大狀態，同時也成就了電氣設備高壓試驗的理想狀態[1]。電路運行過程中當其他參數確定時，通過轉化設備的頻率，電路便可以產生諧振現象，主要運用的數學模型為：

2.2 串聯諧振裝置的應用優勢

2.2.1 體積小，容量大，損耗低

現階段，我國在串聯諧振裝置的研發也逐漸成熟，完整的串聯諧振裝置只需要具備2500pF 分壓器、68H/單節電抗器、額定18kW 輸出電容變頻電源和激勵變壓器等5部分組成[2]，串聯諧振裝置如圖2所示。在該類型的裝置中，不僅具有很高的便捷性，不需要大型的大功率調壓裝置，也無須大功率工頻試驗變壓器。諧振勵磁電源只需試驗容量的1/Q，從而可以實現系統的輕便性，包括其總重量和所占的體積，一般為普通試驗裝置的1/10-1/30。

圖2 串聯諧振裝置

相較于其他高壓試驗裝置專練諧振裝置總體重量輕便，占地空間較小，試驗過程中簡單便捷利于搬運。在容量較大直接耐壓測試中，當絕緣子擊穿，相應受損位置被短路，流通電流值瞬間增加，導致燒毀鐵芯，增加風險值，利用串聯諧振裝置體積小、輕便靈活的特點可以在試驗中完成相應設置從而能夠有效避免相同問題發生，由于試驗過程中電抗器和電容器諧振后會產生高電壓大電流。在整個系統中，變頻電源只需要提供系統中消耗的部分有功功率[3]。高壓試驗所需的電源功率僅為測試容量的1/Q，從一定程度上達到了節能減排的效果。

2.2.2 有效改善輸出電壓波形

串聯諧振裝置可以利用PC 端數控裝置對輸出電壓的波形進行優化，優化后的形狀分明的正弦sin波形可以有效防止諧波峰值對試品的誤擊穿，進而保障檢測過程順利開展，提升整體效率。在GIS 設備中通常采用氣體絕緣開關裝置，在長途運輸過程中，部分GIS 固件和構件容易在外力的作用下產生位移和松動等情況，設備運輸到場后，通過串聯諧振裝置調整輸出電壓波形可以有效對電場結構進行檢測，形狀分明的正弦電壓波形在傳導過程中若遇干擾波形受損從而精準找到故障點，進一步防范危險事故的發生。利用串聯諧振裝置能夠對壓力波形實施動態檢測，從而全面掌握現場具體情況。

2.2.3 穩定性、可靠性強

預防短路故障是供電公司和供電單位重要的運維工作，短路故障產生后，電力設備出現過載現象，如果繼電保護裝置不能作出響應，很可能導致電氣設備的損傷甚至引起爆炸。在交流耐壓試驗過程中，為保障發電機輸出電壓穩定且正常運轉，需要對發電機的絕緣性能進行檢測，檢測過程中傳統方法并不能對電路中的電流、電壓進行有效調節，為避免電路短路燒毀鐵芯，則需要體現串聯諧振裝置的穩定性和可靠性，試驗中鐵芯氣隙調節電感，控制電流和電壓保持諧振，穩定調節電流與電壓的輸出波形，以免燒毀鐵芯，維護電路運轉[4]。

3 主要裝置及注意事項

3.1 激勵變壓器接線注意事項

一是當該變壓器需要放置于電機的耐壓試驗裝置時，激勵變壓器通常接低端。二是當該變壓器需要用于開關、GIS 的耐壓試驗裝置時，接高端，變壓器耐壓激勵變壓器接低端。三是當該變壓器接入10kV、35kV、110kV 電纜的耐壓試驗裝置時，高壓電纜110kV 接入高端，低電壓電纜接低端。

3.2 電抗器及分壓器接線注意事項

對于短電纜，不考慮電壓的影響，都會至少串聯兩節電抗器，以確保回路可以觸發諧振現象。

3.3 電抗器接線注意事項

一是當需要接入開關或者電容較低的交流耐壓試驗試驗品時，需要串聯所需的電抗器，為確保諧振還需要放置在高壓回路中。二是當該電抗器需要接入開關、GIS、變壓器的耐壓時，電抗器需要串聯且其指數需要按照實際的試驗電壓確定。

4 串聯諧振裝置實際應用與案例分析

4.1 電纜高壓試驗

近年來我國現代化進程加速，電纜電網的大量鋪設，伴隨用電便捷的效益同樣帶來的是電網電纜電力事故的多發。為了有效降低電網發展帶來負面事件發生概率，確保所安裝的電纜可以長周期安全穩定運作，需要運用串聯諧振裝置交流耐壓試驗取代先前傳統的直流高壓試驗，通常其頻率調試范圍涵蓋了30～300Hz，為確保該試驗的安全和準確，在試驗員在試驗過程中應注意的內容包括：

一是注意降低直流電場對試驗的影響。試驗過程中電流通過電路導致電阻溫度上升，此時直流電場會伴隨電阻的增加也隨之變強，因此在選擇直流電場的強度時需要考慮到電阻率的分布情況。

二是杜絕絕緣擊穿事故發生。檢驗電路中直流電極容易在高壓電纜內部產生聚集空間，在試驗過程中應抑制電纜局部電場變強避免絕緣弱點暴露。

4.2 氣體絕緣開關試驗

由于電氣設備在長途運輸的過程難免出現磕碰和其他不可控因素導致設備氣體絕緣開關出現松動甚至脫落的情況。對氣體絕緣開關試驗是保障電氣設備日后穩定運行的第一步。根據相關數據顯示當高壓試驗頻率在35～75Hz 時，結果可置信度高達95%以上。因此試驗前，試驗人員應提前控制好裝置的輸出頻率。試驗過程中待測氣體絕緣開關如果不產生發電、閃爍或絕緣性能改變等異常，則表示該開關可以正常使用無安全隱患[5]。

4.3 交流耐壓試驗

定子繞組絕緣性能的好壞直接關系到發電機能否穩定持續的向外輸出電流，進而也就關系到供電公司運行是否安全可靠。在傳統的交流耐壓試驗中調節電壓和電流方案并不是理想，導致因試驗設備故障短路引發的鐵芯燒毀現象屢見不鮮，為電氣公司帶來經濟損失。串聯諧振裝置可以直接在電氣設備的鐵芯氣隙的基礎上完成電感變換，協調電流和電壓頻率和輸出波形完美化解此類技術難題。

5 案例簡析

公司在選擇串聯諧振裝置完成電纜高壓試驗時，選取電力電纜長度可以達到1000m，加載電壓需要達到14kV 交流電壓，頻率調節過后，隨后分別對電抗器的數量及規格、變頻控制器電壓進行調節，使試驗頻率和工作頻率吻合。此時電容數值為0.411uF，通過對比激勵變壓器，得到串聯諧振裝置的電抗值較高。試驗數學模型為：

式中：C為電路常參數；C1+C2為分壓器電容總和；Cx為試驗電容。

當試驗電容和電纜容量出現同時比分壓器電容小的情況時，諧振回路的電容應當與電容一致。試驗過程中借助電抗器通入1.2A 電流中完成耐壓試驗，時長5min，并未發現試驗電纜被擊穿或出現絕緣閃絡情況，則證明該電纜合格可放心使用。

6 提升電氣設備高壓試驗安全性的相關舉措

6.1 提升對裝置接地不良的重視程度

在利用傳利諧振設備進行電氣高壓試驗的過程中，為順利進行電壓試驗，且確保安全性，相關測試人員需要重視電氣設備高壓TV 以及TA 的二次繞組情況，接地不良不僅會影響測試數據的準確性更有可能對測試人員生命健康造成威脅。極其重要的是在進行電氣設備交流耐壓測試時，相關人員需要具備扎實的理論基礎，對設備了如指掌包括設備的電容和電流，結合實際的電流強度對電氣高壓試驗中試驗設備電壓運行的分析，確保試驗能夠安全進行。

6.2 注重引線的作用

引線在試驗中具有建設性的作用，一般，在試驗過程中需要拆除達幾百兆歐電阻的絕緣帶，否則就相當于在電路上增加另一個電阻器，影響到電氣高壓試驗的正常進行。

7 結語

為確保串聯諧振裝置能夠在電氣設備高壓試驗中發揮出應有的檢測作用，需要加強串聯諧振裝置整體管控力度，對電力高壓試驗方案進行反復試驗并結合不同的試驗環境及結果進行針對性優化。經討論分析本文發表對電氣設備試驗工作具備一定的借鑒性質。